JP2013054015A - 半導体ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガス感応膜を挟む電極間のギャップを容易に非常に小さく形成することができるとともに、ガス感応膜が外気と接触できる面積及び電極がガス感応膜に対して接触できる面積を両方とも大きくとることができ、製造が容易でセンサ感度の優れた半導体ガスセンサを提供する。
【解決手段】電極層１、３、５、と、金属酸化物半導体からなるガス感応膜層２、４とが交互に複数回積層された積層体９を有する半導体ガスセンサであって、少なくとも１つのガス感応膜層４の両面を挟む２つの電極層３、５について、当該ガス感応膜層４の各面の略全域にわたって、金属からなる電極部３１、５１と、厚さ方向に貫通する空隙部３２、５２とを交互に形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスの吸着により抵抗値が変化する金属酸化物半導体を用いた半導体ガスセンサに関するものである。

金属酸化物半導体を用いた半導体ガスセンサ１００Ａにおいては、例えば櫛型電極３Ａ、５Ａを用いたものがある。この櫛型電極３Ａ、５Ａは、図５（ａ）に示すようにシリコン基板８Ａの面上に形成された一対の電極の先端部７Ａに各電極３Ａ、５Ａが接触しないように、櫛歯状に溝６Ａを形成してあるものである。より具体的には、図５（ａ）において長方形により示している部分７Ａを拡大し９０度回転させた図５（ｂ）、図５（ｂ）の点線長方形７１Ａで示す部分を拡大した図５（ｃ）、図５（ｃ）を斜視図にした図５（ｄ）に示すように、溝６Ａによって各電極の櫛歯の先端が相手方の櫛歯の根元に対して交互にかみ合うように配置されている。すなわち、この溝６Ａは、各電極３Ａ、５Ａの櫛歯を形成するとともに、各電極３Ａ、５Ａをシリコン基板６Ａの平面方向に微小なギャップを生じさせるためのものである。そして、この溝６Ａ内には、ガスの吸着により抵抗値が変化する金属酸化物半導体が充填されて、前記溝６Ａ内にガス感応膜４Ａが形成されている。

このような構造を有した櫛型電極を有した半導体ガスセンサ１００Ａでは、各電極３Ａ、５Ａの櫛歯部分におけるシリコン基板８Ａの平面方向のギャップを小さく形成するほど、センサとしての感度が向上する事が知られている。さらに、ガス感応膜４Ａに対して各電極３Ａ、５Ａが接触している部分の長さや面積が大きくなるほど、感度が向上する事も知られている。

しかしながら、基板８Ａの同一表面に各電極を形成する場合、各電極３Ａ、５Ａ間のギャップを小さくするとともに、各電極３Ａ、５Ａのガス感応膜４Ａに対する接触距離を大きくしようとすると、図５のように非常に細く蛇行した溝６Ａを高精度に形成する必要がある。このような複雑形状の溝６Ａは高度なリソグラフィー技術を用いる必要があり、製造のしやすさやコストと言った観点で問題がある。

ところで、半導体ガスセンサには、特許文献１に示されるように、電極層とガス感応膜層を交互に積層しているものもある。より具体的には、このものは最下層から上層に進むにしたがって、中央部に形成された円形状の開口部が広がっていく構造を有している。このように形成することで２つの電極層に挟まれたガス感応膜層の一部を中央部において円環状に露出させ、当該ガス感応膜層が外気と接触できるようにしている。

特許文献１に示されている半導体ガスセンサの問題点としては、ガスと接触できる面積がガス感応膜層が形成されている面積の割に小さいことと、上層に行くほど円形状の開口部が大きくなっていくため、上層に形成される電気層はガス感応膜層と接触できる面積が小さくなっていることが挙げられる。すなわち、このような形状に形成された半導体ガスセンサのガス感応膜層では、層全体のうちわずかに外気に露出している円環部分でしかガスと接触できず、ガス接触面積が小さいことから電気抵抗率が変化しにくいため感度を向上させることが難しい。さらに、上層に形成される電極層ほどガス感応膜層に対する接触面積が小さくなっていくため、積層を繰り返したとしてもセンサ感度の向上率はだんだんと低下していくことになる。

特開昭５６−１１８６５８号公報

本発明は上述したような問題点を鑑みてなされたものであり、ガス感応膜を挟む電極間のギャップを容易に非常に小さく形成することができるとともに、ガス感応膜が外気と接触できる面積及び電極がガス感応膜に対して接触できる面積を両方とも大きくとることができ、製造が容易でセンサ感度の優れた半導体ガスセンサを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の半導体ガスセンサは、電極層と、金属酸化物半導体からなるガス感応膜層とが交互に複数回積層された積層体を有する半導体ガスセンサであって、少なくとも１つのガス感応膜層の両面を挟む２つの電極層が、当該ガス感応膜層の各面の略全域にわたって、金属からなる電極部と、厚さ方向に貫通する空隙部とが交互に形成されたものであることを特徴とする。

このようなものであれば、前記電極層と、前記ガス感応膜層を積層して半導体ガスセンサを構成してあるので、前記ガス感応膜層の厚さを電極間のギャップとすることができ、かつ、前記ガス感応膜層の厚さは、例えばスパッタ等の成膜技術により数十〜数百ｎｍといった厚さで容易に製造することができる。従って、電極間のギャップを前述したオーダで簡単に形成して、センサ感度を用意に高めることができる。

言い換えると、電極層とガス感応膜層を交互に積層することで、櫛歯型の電極で電極間のギャップを前述したオーダで形成しようとする場合に比べて、製造のし易さやコスト等点で有利であるとともに、センサ感度を容易に高めることができる。また、多層に積み重ねることによりさらにセンサ感度を向上させることもたやすい。

さらに、少なくとも１つのガス感応膜層の両面を挟む２つの電極層が、当該ガス感応膜層の各面の略全域にわたって、金属からなる電極部と、厚さ方向に貫通する空隙部とが交互に形成されたものであるので、前記ガス感応膜層の各面の全体にわたって形成された空隙部を通過させて、当該ガス感応膜層とガスとを接触させることができる。従って、前記ガス感応膜層とガスとの接触面積を大きくしやすく、わずかな量のガスであっても前記ガス感応膜層に吸着させその電気抵抗率を変化させやすくなる。加えて、前記電極部も前記ガス感応膜層の各面の全体にわたって形成されているので、前記電極部と前記ガス感応膜層との接触面積である電極接触面積も大きくとることができる。

つまり、本発明の半導体ガスセンサは、上述した構成によりガス接触面積と電極接触面積の両方を大きくしやすいので、容易にセンサ感度を向上させることができる。

加えて、前記ガス感応膜層は、スパッタ等の成膜条件を適切にすることで多孔質性にする事が可能であるのでガスを通過させることができる。従って、一方の面に形成された電極層の空隙部を通過したガスの一部が、ガス感応膜層を通過して、もう一方の面に形成された電極層の空隙部を更に通過し、別のガス感応膜層へと到達するガス通路が形成されるので、全てのガス感応膜層にガスを行き渡らせることができる。このため、各電極層の空隙部を通過させて全てのガス感応膜層でガスを吸着させ、各電極間で抵抗率の変化を測定できるので、センサ感度を向上させやすい。

前記電極層の上にスパッタ等の成膜技術でガス感応膜層を形成しやすくするとともに、ガス接触面積、電極接触面積を大きくしやすくするための具体的な配置や形状としては、前記電極部が所定幅を有した線状に形成されたものであり、前記ガス感応膜層の各面に沿って、当該電極体が複数並列に並べて配置されることにより、各電極体間に前記空隙部が形成されているものが挙げられる。

さらに、電極接触面積を大きくしやすくするとともに、ある程度の強度を持たせることが容易な具体的な形状としては、前記電極部が、前記ガス感応膜層の各面に沿って２方向に複数並列に並べて配置されることにより網状をなしているものが挙げられる。

積層された各ガス感応膜層に対してガスが行き渡りやすいようにし、センサ感度を向上するには、前記ガス感応膜の両面を挟む２つの電極層の各電極部と各空隙部が、当該ガス感応膜の面に対して垂直な方向から視た場合に略合致するように配置されていればよい。このように各電極層を配置すれば、ある電極層の空隙部が他の電極層の電極部により塞がれることがなく、各空隙部が連結されたガス通路とすることができ、好適にガスをガス感応膜層に行き渡らせることができる。

積層された各電極層及び各ガス感応膜層を効率よくヒータ等により暖められるようにするには、ダイヤフラム構造を有する基板を更に備え、前記積層体が、最下層が電極層となるように前記基板上に形成されており、前記最下層の電極層が、電極部のみで一様に形成されているものであればよい。

このように本発明の半導体ガスセンサによれば、前記電極層と前記ガス感応膜層を交互に複数積層させて積層体としているので、電極間のギャップをスパッタ等の成膜技術で容易に数十〜数百ｎｍで形成することができ、また、少なくとも１つのガス感応膜層の両面に設けられた電極層が、各面の略全域にわたって、金属からなる電極部と、厚さ方向に貫通する空隙部とが交互に形成されているので、ガス接触面積及び電極接触面積をそれぞれ大きくとることができる。従って、センサ感度の高い半導体ガスセンサを既存の製造技術を用いて容易に製造する事が可能となる。

本発明の一実施形態に係る半導体ガスセンサを示す模式的斜視図。 同実施形態における半導体ガスセンサの模式的断面図。 同実施形態における半導体ガスセンサの模式的分解斜視図。 他の実施形態における電極層の形状を示す模式的斜視図。 従来の櫛歯電極を用いた半導体ガスセンサの構造を示す模式図。

本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態の半導体ガスセンサ１００は、例えば低濃度のＮＯ_２等を測定するために用いられるものであり、図１の斜視図に示すように、ダイヤフラム構造を有したセンサ基板８と、前記センサ基板８の中央部に積層された積層体９と、から構成してある。

前記センサ基板８は、ＭＥＭＳ技術により製造されるものであり、その内部にヒータ機能が形成してある。そして、図２に示すように前記センサ基板８のダイヤフラム構造における薄肉部の上に、前記積層体９がスパッタ等の成膜技術により積層してある。なお、図２においては図１、図３等では記載を省略している各電極層の結線部分Ｃについても図示している。

前記積層体９は、電極層３、５と、金属酸化物半導体からなるガス感応膜層２、４とが交互に複数回積層したものであり、本実施形態では、合計で５層形成してある。より具体的には、この積層体９は図３の分解斜視図に示すように前記センサ基板８側から、第１電極層１、第１ガス感応膜層２、第２電極層３、第２ガス感応膜層４、第３電極層５の順で厚み方向に積層してある。

前記第１電極層１は、概略正方形状にＡｕ又はＰｔ等の電極となる金属をスパッタ等の成膜技術で一様に形成してある。後述する前記第２電極層３及び第３電極層５とは形状が異なっており、空隙部を設けずに電極部だけで形成している。

前記第１ガス感応膜層２、第２ガス感応膜層４は、同じものであり、ＷＯ_３、Ｓ_ｎＯ_２、Ｚ_ｎＯ等の金属酸化物半導体であり、多孔質性のものを前記第１電極層１と同様にスパッタ等の成膜技術で膜状に形成してあり、その厚さは、数十〜数百ｎｍで形成してある。従って、前記第１電極層１と前記第２電極層３との間のギャップ、及び前記第２電極層３及び前記第３電極層５との間のギャップである電極間距離も数十〜数百ｎｍのオーダで形成されることになる。また、前記金属酸化物半導体は、ガスが吸着することによりその抵抗率が変化するものである。この抵抗率の変化を各電極層３、５で検出することによりガスの測定が行われる。

前記第２電極層３、前記第３電極層５は、前記第２ガス感応膜層４の両面をそれぞれ挟むものであり、Ａ_ｕやＰ_ｔの金属からなる電極部３１、５１と、厚さ方向に貫通する空隙部３２、５２とによって、概略格子状に形成してある。そして、この電極部３１、５１と空隙部３２、５２は、前記第２ガス感応膜層４の各面に沿って、それぞれ略全面にわたって交互に均等に形成してある。これらの第２電極層３、第３電極層５もスパッタ等の成膜技術により形成してある。

前記第２電極層３及び第３電極層５の形状及び構成についてより具体的に説明すると、前記電極部３１、５１は、所定幅を有した線状に形成してあり、前記第２ガス感応膜層４の各面に沿って、線状の電極部３１、５１を２方向に複数並列に並べて網状（格子状）をなすように形成してある。

言い換えると、一群の線状の電極部３１、５１は、幅方向に所定距離ずつ間隔をあけて複数並列に配置するとともに、もう一群の線状の電極部３１、５１は、前記一群の電極部３１、５１が並ぶのとは異なる方向、すなわち、直交する方向に所定距離ずつ間隔をあけて並列に配置してあり、全ての電極部３１、５１により格子が形成されるようにしてある。

そして、各線状の電極部３１、５１以外にはスパッタにより何の構造物も形成しないので、並列に並べられた各電極部３１、５１間に空隙部３２、５２が形成されることになる。

さらに、前記第２電極層３及び前記第３電極層５の位置関係について説明すると、各電極部３１、５１と各空隙部３２、５２が、第２ガス感応膜層４の面に対して垂直な方向から視た場合に略合致するように各電極層３、５は配置してある。言い換えると、前記第２ガス感応膜層４を上面から視た場合、前記第２電極層３がなす格子と、前記第３電極層５がなす格子とが重なりあうように形成してある。

従って、前記第３電極層５の空隙部５２から入ったガスが、多孔質の第２ガス感応膜層４を通過し、第２電極層３の空隙部３２を抜けて、第１ガス感応膜層２に至るガス通路が各空隙部３２、５２で形成されることになる。つまり、ガス通路の形状としては、空隙部３２、５２を上下方向に押し出した形状である概略直方体形状の通路が複数形成されることになる。

さらに各電極層１、３、５は＋極と−極が交互に積層されており、かつ、同じ極同士が結線されているように構成してある。より具体的には、本実施形態では前記第１電極層１と第３電極層５が＋極であり、各電極層１、５は図２に示すように結線してあるとともに、前記第１電極層１は、ダイヤフラム構造上に形成された＋端子（図示しない）とも結線してある。前記第２電極層は−極として構成してあり、ダイヤフラム構造上に形成された−端子（図示しない）と結線してある。

次に、この積層体９の成型方法について簡単に説明する。

最初に前記第１電極層１を形成する際は、センサ基板８の所定領域に一様なＡ_ｕ又はＰ_ｔからなる電極を成膜する（ステップ１）。次に第１電極層１の上面に、金属酸化物半導体により数十〜数百ｎｍの厚さで成膜を行い、第１ガス感応膜層２を形成する（ステップ２）。さらに、第１ガス感応膜層２の上面に、格子状にＡ_ｕ又はＰ_ｔからなる電極を形成し、第２電極層３とする（ステップ３）。あとは、ステップ２及びステップ３と同じ成膜手順を繰り返すことにより、第２ガス感応膜層４、第３電極層５を形成する。

このように電極層３、５及びガス感応膜層２、４を交互に積層して形成した半導体ガスセンサ１００であれば、現在のスパッタ成膜技術であっても、ガス感応膜層２、４の厚さを数十〜数百ｎｍのオーダで形成する事は容易であり、電極間距離をそのような短い距離に容易に設定する事が可能である。言い換えると、リソグラフィー等により、櫛型電極を用いた表面実装型の半導体ガスセンサ１００Ａで同等の電極間距離を形成しようとする場合に比べて、本実施形態の積層型の半導体ガスセンサ１００は非常に製造し易い。

さらに、前記第２ガス感応膜層４の両面を挟む第２電極層３と第３電極層５は、第２ガス感応膜層４と接触する各面にわたって、均一に格子状に形成してあるので、前記電極部３１、５１を第２ガス感応膜層４の略全面と接触させることができ、電極接触面積を大きくとることができる。さらに、前記第２電極層３と第３電極層５は、格子状に形成されていることから空隙部３２、５２も前記第２ガス感応膜層４の全面に亘って形成されることになり、第２ガス感応膜層４とガスが接触するガス接触面積も大きくとることができる。

従って、電極間距離を小さくするとともに、電極接触面積、ガス接触面積を大きくとることができるので、この半導体ガスセンサ１００の構造であれば容易にセンサ感度を向上させることができる。

さらに、必要に応じて前述したステップ２及びステップ３の成膜を繰り返すことにより積層数を多くすることでよりセンサ感度を向上させることもできる。

このように本実施形態の半導体ガスセンサ１００は、センサ感度に優れるとともに製造もしやすい。

その他の実施形態について説明する。

前記実施形態では、第２電極層３及び第３電極層５は格子状（網状）に形成されていたが、例えば図４（ａ）に示すように一方向にのみ電極部３１を並列に並べたものであっても構わない。また、図４（ｂ）のように電極部３１を櫛歯状となるように配置しても構わない。別の観点から詳述すると、前記実施形態では、空隙部３２は独立した空間として複数形成されていたが、図４（ｂ）のように一つながりの空隙部３２として形成されるものであっても構わない。さらに、図４（ｃ）に示すように更に格子を細かく形成しても構わない。要するに積層体９において最下層以外に形成される電極層においては、面状に一様に形成された電極部が存在せず、下層側にあるガス感応膜層に対してガスが通り抜けるのを大きく阻害する形状でなければよい。

前記金属酸化物半導体は、例示したものに限られず多孔質性を有し、ガスがある程度通過できるものであればよい。また、下層にあるガス感応膜層までガスが到達できるのであれば、上面から視た際に各電極層が合致するように配置されていなくても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

１００ ・・・半導体ガスセンサ
１、３、５・・・電極層
２、４ ・・・ガス感応膜層
３１、５１・・・電極部
３２、５２・・・空隙部
８ ・・・基板

Claims (5)

1. 電極層と、金属酸化物半導体からなるガス感応膜層とが交互に複数回積層された積層体を有する半導体ガスセンサであって、
   少なくとも１つのガス感応膜層の両面を挟む２つの電極層が、当該ガス感応膜層の各面の略全域にわたって、金属からなる電極部と、厚さ方向に貫通する空隙部とが交互に形成されたものであることを特徴とする半導体ガスセンサ。
2. 前記電極部が所定幅を有した線状に形成されたものであり、前記ガス感応膜層の各面に沿って、当該電極体が複数並列に並べて配置されることにより、各電極体間に前記空隙部が形成されている請求項１記載の半導体ガスセンサ。
3. 前記電極部が、前記ガス感応膜層の各面に沿って２方向に複数並列に並べて配置されることにより網状をなしている請求項２記載の半導体ガスセンサ。
4. 前記ガス感応膜の両面を挟む２つの電極層の各電極部と各空隙部が、当該ガス感応膜層の面に対して垂直な方向から視た場合に略合致するように配置されている請求項１、２又は３記載の半導体ガスセンサ。
5. ダイヤフラム構造を有する基板を更に備え、
   前記積層体が、最下層が電極層となるように前記基板上に形成されており、
   前記最下層の電極層が、電極部のみで一様に形成されている請求項１、２、３又は４記載の半導体ガスセンサ。